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Oct 03, 2023

Défis de la fabrication et du revêtement de cristaux laser

Les cristaux laser peuvent être considérés comme les « moteurs » des lasers à solide. Ils sont

Les cristaux laser peuvent être considérés comme les "moteurs" des lasers à solide. Ils sont utilisés pour les supports de gain, pour la conversion de fréquence et pour gérer les caractéristiques et les performances du laser. Comme le moteur d'une voiture, si les cristaux laser sont propres et fonctionnent correctement, ils permettent au système plus large de fonctionner à un niveau supérieur. Dans le cas d'un système laser, fonctionner à haut niveau signifie créer un faisceau stable et atteindre des puissances optiques élevées. Certains avantages des cristaux laser par rapport à d'autres supports de gain à semi-conducteurs sont qu'ils offrent généralement moins d'absorption, une bande passante d'émission plus étroite, des sections transversales de transition plus élevées et une conductivité thermique plus élevée. Les cristaux laser sont essentiels pour permettre une grande variété d'applications, notamment le traitement des matériaux au laser, la chirurgie au laser, la détection, les applications de défense telles que la télémétrie, etc.

Étant donné que les cristaux laser sont des composants optiques sensibles et sont souvent utilisés avec des lasers à haute puissance, il est essentiel de déposer les revêtements appropriés dessus sans introduire de défauts. Bien que les géométries complexes et les exigences élevées en matière de seuil de dommage laser (LDT) rendent la fabrication de cristaux laser difficile, garder à l'esprit plusieurs considérations clés permet de garantir que le cristal et son revêtement se comportent comme prévu.

Les cristaux laser sont des cristaux optiques généralement dopés avec des métaux de transition ou des ions de terres rares. Il existe de nombreux types et formes de cristaux différents et chaque cristal possède son propre ensemble unique d'attributs qui doivent être pris en compte. Certaines formes de cristaux courantes comprennent des tiges, des cubes et des dalles en zigzag utilisées pour réduire la lentille thermique et la biréfringence induite par le stress.

Les boules brutes, ou lingots synthétiques, de cristaux sont taillées, broyées et polies selon les spécifications étroitement tolérées nécessaires à l'application. Le parallélisme et la perpendicularité des différentes faces du cristal doivent être étroitement contrôlés car l'alignement du cristal à l'intérieur d'une cavité laser est crucial pour son bon fonctionnement. La protection des surfaces préalablement polies lors du polissage des autres surfaces est essentielle pour maintenir la qualité de la surface. Le polissage est soigneusement surveillé pour minimiser les dommages sous la surface, ce qui pourrait entraîner une perte de lumière et même une panne complète si la lumière laser haute puissance se disperse sur les défauts ou est absorbée.

La métrologie en cours de fabrication garantit que les exigences en matière de figure de surface, de parallélisme, de perpendicularité, de spécifications dimensionnelles et de qualité de surface ont été respectées. Un nettoyage soigneux de toutes les surfaces polies avant le dépôt des revêtements est également important pour empêcher l'introduction de toute contamination telle que des boues ou des substances bloquantes. Le nettoyage par ultrasons élimine les restes de composés de polissage avant le revêtement. Ceci est particulièrement utile pour nettoyer les surfaces meulées, car elles sont plus difficiles à nettoyer à la main que les surfaces polies. Enfin, une inspection manuelle à l'aide d'un microscope à fort grossissement vérifie la propreté et la qualité, déterminant si une étape de nettoyage manuel supplémentaire est nécessaire.

La plupart des cristaux laser ont deux surfaces qui doivent être polies et revêtues, mais selon la géométrie du cristal, jusqu'à six surfaces polies et revêtues différentes peuvent être nécessaires. Le revêtement de plusieurs surfaces augmente la complexité du processus de revêtement. L'ordre spécifique dans lequel les revêtements sont appliqués doit être pris en compte pour préserver la qualité de surface des faces cristallines restantes et ne pas endommager les revêtements qui ont déjà été appliqués. Les techniques d'outillage et de blocage utilisées lors du revêtement sont également essentielles pour protéger les surfaces déjà revêtues et empêcher la surpulvérisation indésirable sur d'autres surfaces. L'outillage est conçu pour permettre l'expansion de différents matériaux pendant le revêtement sans être endommagé. Dans certains cas, les étapes de polissage et de revêtement sont alternées. Ceci est courant lorsque les surfaces adjacentes les unes aux autres sont toutes deux revêtues jusqu'à leurs bords.

Des couches minces sont déposées pour améliorer les propriétés de transmission et de réflexion. Les revêtements spécifiques utilisés dépendent entièrement de la longueur d'onde de l'application finale, des niveaux de puissance, des exigences environnementales (température, humidité, vide, rayonnement, brouillard salin, etc.), de la conception du laser et d'autres facteurs. Les revêtements sont appliqués sous forme de longueurs d'onde monobande et multibande selon les spécifications du client. La géométrie de la chambre et les techniques d'évaporation sont des paramètres importants qui doivent être respectés afin d'avoir une parfaite uniformité entre toutes les pièces. Les revêtements multibandes sont très soigneusement conçus pour la répétabilité avec un contrôle d'épaisseur de couche très discret pour obtenir des films à faible perte et non absorbants. Parfois, une plaque de cristal entière est enduite, coupée en petits morceaux, puis enduite à nouveau pour couvrir les surfaces nouvellement créées.

Les revêtements à faisceau d'électrons (e-beam) sont légèrement poreux et leur comportement peut légèrement changer en fonction de l'absorption d'humidité ou des augmentations de température, qui chassent l'humidité absorbée. La figure 4 montre un exemple de la manière dont un changement de température peut avoir un impact sur les performances spectrales. Les données historiques et les tests dans les conditions de fonctionnement de l'application finale informent sur le comportement du cristal sur le terrain. D'autres techniques de revêtement telles que le dépôt assisté par ions (IAD) et la pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) peuvent minimiser le déplacement ou l'éliminer complètement en comprimant les films pour limiter l'intrusion d'humidité. Cependant, ces techniques peuvent introduire une contrainte sur le cristal et abaisser son seuil de dommage laser (LDT), de sorte que toutes les exigences doivent être hiérarchisées les unes par rapport aux autres.

Pour les spécifications extrêmement difficiles telles que les revêtements à bande étroite ou multibande, le placement de chaque cristal individuel dans la chambre de revêtement est important pour maintenir la répétabilité (Figure 5). Les pièces sont spécifiquement disposées dans la chambre pour assurer l'uniformité entre toutes les pièces. Toutes les erreurs d'épaisseur sont évaluées pour déterminer si elles affecteront les performances finales du cristal.

Une large gamme de métrologie en cours et post-processus, y compris les spectrophotomètres, les interféromètres, la microscopie haute puissance, la mesure dimensionnelle, l'absorption photothermique et les tests de dommages au laser, est utilisée pour vérifier les spécifications clés. Ceci est essentiel pour que les fournisseurs d'optique soient sûrs que toutes les exigences des clients sont réellement satisfaites.

Alors que de nombreuses applications laser continuent de passer à des puissances plus élevées, le maintien de tolérances dimensionnelles serrées, de seuils de dommages laser élevés et de performances spectrales précises devient de plus en plus important pour les cristaux laser. Parlez à votre fournisseur de composants optiques lors de l'approvisionnement en cristaux laser pour vous assurer qu'il a pris en compte les considérations ci-dessus dans ses devis et ses conceptions. S'aligner sur ces exigences dès le début réduira la probabilité d'itérations de conception et augmentera la probabilité que vos cristaux se comportent comme nécessaire dans votre système final.

Cet article a été rédigé par Karl George Jr., responsable du développement commercial de l'optique laser, et James Karchner, responsable des ventes de l'optique laser, Edmund Optics. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de septembre 2022 du magazine Photonics & Imaging Technology.

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